JP2012218142A - Joint structure, robot, and method of operating joint structure - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the influence of a frictional force applied to a member when the member is separated from a ground surface.SOLUTION: A joint structure 100 includes a heel portion (first member) 50 and a toe (second member) portion 20, both being separated from a ground surface in this order. The heel portion 50 has a rotating shaft AX engaged with the toe portion 20, the rotating shaft AX being so structured that it can move on the toe portion 20 along the ground surface in accordance with the rotation of the heel portion 50 relative to the toe portion 20. The rotating shaft AX is structured to be movable in an arrowed direction parallel with the X axis, thus the shaft AX moves on the toe portion 20 along the ground surface in synchronization with the rotation of the heel portion 50 relative to the toe portion 20. Adopting this configuration realizes an operation of separation from the ground surface in a mode where the influence of a frictional force is suppressed.

Description

本発明は、関節構造体、ロボット及び関節構造体の動作方法に関する。   The present invention relates to a joint structure, a robot, and a method for operating the joint structure.

ロボットは様々な分野において活用されているが、近年、介護/補助/余興等を目的としたパートナーロボットが注目されている。ヒトの住環境/生活空間は様々であるため、パートナーロボットにはヒトと同様の歩行特性が要求される場合がある。   Although robots are used in various fields, in recent years, partner robots for the purpose of nursing care / assistance / entertainment have attracted attention. Since human living environments / living spaces vary, partner robots may be required to have the same walking characteristics as humans.

特許文献1には、ロボットの足部構造に爪先部を設け、これにより、ロボットの移動能力を向上させることが開示されている。特許文献1の図2には、爪先を曲げることで足首の位置が高くなり、実質的に脚長が延長されることが開示されている。爪先動作によって脚長が変化する点も開示されている(同文献の段落0051も併せて参照)。   Patent Document 1 discloses that a toe portion is provided in a foot structure of a robot, thereby improving the movement capability of the robot. FIG. 2 of Patent Document 1 discloses that the position of the ankle increases by bending the toe and the leg length is substantially extended. It is also disclosed that the leg length is changed by the toe movement (see also paragraph 0051 of the same document).

特許文献2には、跳躍ロボットに関し、平板状の足平が床と平面接触することで非跳躍時の静止状態を確保することが開示されている。特許文献2の図5に示すように、爪先12と足平16とは、軸を介して互いに係合している。特許文献2の段落0013には、足平16に対する爪先12の揺動角度が電気モーターによって調整される点が開示されている。   Patent Document 2 discloses a jumping robot that secures a stationary state at the time of non-jumping by a flat foot contacting a floor with a flat surface. As shown in FIG. 5 of Patent Document 2, the toe 12 and the foot 16 are engaged with each other via a shaft. Paragraph 0013 of Patent Document 2 discloses that the swing angle of the toe 12 with respect to the foot 16 is adjusted by an electric motor.

特許文献3には、足平の構造に関し、可動足平片を設けて、特許文献3の図1に開示の比率A/Bを調整することが開示されている(同文献の図4、6、8も併せて参照:各図において、足平片102A〜Dの位置が変化していることが分かる)。   Patent Document 3 discloses a structure of a foot by providing a movable foot piece to adjust the ratio A / B disclosed in FIG. 1 of Patent Document 3 (FIGS. 4 and 6 of the same document). , 8 as well: In each figure, it can be seen that the positions of the foot pieces 102A to 102D have changed).

特開2005−153038号公報JP 2005-153038 A 特開2007−7798号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-7798 特開平5−318337号公報JP-A-5-318337

足平部に対して爪先部を設けて構成された足部を接地面から浮かす場合、接地状態の爪先部に対して足平部を回転制御することが必要になる。この場合、接地状態の足平部には、同部分の移動方向とは逆方向の摩擦力が付与されることになり、同摩擦力に対して打ち勝つだけのトルクを生じさせることが要求される。このように、足平部に対して爪先部が設けられた足部を接地面から浮かす場合、足平部に対して比較的大きな摩擦力が付与されてしまう場合がある。   When a foot part configured by providing a toe part with respect to the foot part is floated from the ground contact surface, it is necessary to control the rotation of the foot part with respect to the toe part in the ground state. In this case, a frictional force in a direction opposite to the moving direction of the same part is applied to the foot part in the grounded state, and it is required to generate a torque sufficient to overcome the frictional force. . Thus, when the foot part provided with the toe part with respect to the foot part is floated from the ground contact surface, a relatively large frictional force may be applied to the foot part.

上述の説明から明らかなように、接地面から対象部材を離間させる時、当該対象部材に付与される摩擦力を抑制することが強く望まれている。なお、上述の説明は、本願発明が生まれた背景説明を主目的として為されたものである。本願発明に係る関節構造体は、ロボットの足以外の他の様々な用途に適用することができるものであり、上述の説明を根拠として本願発明を限定解釈することは許されない。   As apparent from the above description, when the target member is separated from the ground contact surface, it is strongly desired to suppress the frictional force applied to the target member. In addition, the above description is made mainly for the background explanation on which the present invention was born. The joint structure according to the present invention can be applied to various uses other than the feet of the robot, and the present invention is not allowed to be limitedly interpreted based on the above description.

本発明に係る関節構造体は、接地面からこの順に離れる第1及び第2部材を備える関節構造体であって、前記第1部材は、前記第2部材に対して係合した回転軸を備え、当該回転軸は、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記接地面に沿って前記第2部材上を移動可能に構成されている。   The joint structure according to the present invention is a joint structure including first and second members that are separated in this order from the ground plane, and the first member includes a rotating shaft engaged with the second member. The rotation shaft is configured to be movable on the second member along the grounding surface in accordance with the rotation of the first member with respect to the second member.

第1部材に設けた回転軸を第2部材に対して係合させ、この回転軸を第2部材上において移動可動とする。回転軸は、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、第2部材上を移動する。これによって、第1部材が接地面から離間する際、第1部材が接地面上を転がることが可能となり、摩擦力の影響を抑制した態様にて接地面からの離間動作を実現することが可能となる。   The rotary shaft provided on the first member is engaged with the second member, and the rotary shaft is movable on the second member. The rotation shaft moves on the second member in accordance with the rotation of the first member relative to the second member. As a result, when the first member is separated from the ground surface, the first member can roll on the ground surface, and the separation operation from the ground surface can be realized in a manner in which the influence of the frictional force is suppressed. It becomes.

前記第1部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、当該軸保持部は、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されている、と良い。   The first member includes a shaft holding portion that holds the rotation shaft, and the shaft holding portion is configured to be able to rotate on the ground surface in accordance with the rotation of the first member with respect to the second member. Have been, and good.

前記第1部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、当該軸保持部は、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されている、上記いずれかに記載の関節構造体であって、前記回転軸と前記軸保持部間の回転比を調整する回転比調整機構を更に備える、と良い。   The first member includes a shaft holding portion that holds the rotation shaft, and the shaft holding portion is configured to be able to rotate on the ground surface in accordance with the rotation of the first member with respect to the second member. The joint structure according to any one of the above, further including a rotation ratio adjustment mechanism that adjusts a rotation ratio between the rotation shaft and the shaft holding portion.

前記第1部材は、前記回転軸を保持する一組の軸保持部を備え、一組の前記軸保持部の間には、前記回転軸の前記移動時に前記第1及び第2部材同士が干渉することを回避するための空間が設けられている、と良い。   The first member includes a pair of shaft holding portions that hold the rotating shaft, and the first and second members interfere with each other during the movement of the rotating shaft between the pair of shaft holding portions. It is preferable that a space for avoiding this is provided.

前記第1及び2部材には、前記回転軸の前記移動を案内する案内機構が設けられている、と良い。   The first and second members may be provided with a guide mechanism for guiding the movement of the rotating shaft.

前記第1部材は、前記回転軸上に設けられたピニオンを備え、前記第2部材は、前記ピニオンが歯合したラックを備える、と良い。   The first member may include a pinion provided on the rotating shaft, and the second member may include a rack meshed with the pinion.

前記第1部材と前記第2部材間の回動を許容する態様にて、前記第1及び第2部材間を接続するリンク機構を更に備え、前記第1部材には、前記リンク機構に含まれるリンクを当該第1部材からみて前進及び後退させる駆動機構が設けられている、と良い。   In a mode that allows rotation between the first member and the second member, a link mechanism that connects the first and second members is further provided, and the first member is included in the link mechanism. It is preferable that a drive mechanism for moving the link forward and backward as viewed from the first member is provided.

前記第2部材は、接地面に対して接地する先端部と、前記回転軸の移動路が設けられたガイド部と、を含む、と良い。   The second member may include a tip portion that is grounded with respect to the ground surface, and a guide portion provided with a moving path of the rotation shaft.

前記第1部材の底面には弾性部材が設けられている、と良い。   An elastic member may be provided on the bottom surface of the first member.

前記第1部材は、ヒトの足の踵に対応する踵部であり、前記第2部材は、ヒトの足の爪先に対応する爪先部である、と良い。   The first member may be a heel corresponding to a human foot heel, and the second member may be a toe corresponding to a human toe.

本発明に係るロボットは、上記いずれかの関節構造体を具備する。   The robot according to the present invention includes any one of the joint structures described above.

本発明に係る関節構造体の動作方法は、接地面から順に離れる第1及び第2部材を備え、第1部材に設けられた回転軸は前記第2部材に対して係合している関節構造体の動作方法であって、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記回転軸は、前記接地面に沿って前記第2部材上を移動し、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記第1部材は、前記接地面上を転がる。   The operation method of the joint structure according to the present invention includes first and second members that are sequentially separated from the ground contact surface, and the rotation structure provided on the first member is engaged with the second member. In accordance with the rotation of the first member relative to the second member, the rotation shaft moves on the second member along the grounding surface, and the body is moved relative to the second member. In response to the rotation of the first member, the first member rolls on the ground contact surface.

本発明によれば、摩擦力の影響を抑制した態様にて接地面からの離間動作を実現することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to realize the separation operation from the ground plane in a manner in which the influence of the frictional force is suppressed.

実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。1 is a schematic perspective view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。1 is a schematic perspective view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な上面図である。1 is a schematic top view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な上面図である。1 is a schematic top view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な側面図である。1 is a schematic side view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な側面図/断面模式図である。FIG. 3 is a schematic side view / sectional schematic view of the joint structure according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる回転比の調整を説明するための説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining adjustment of a rotation ratio according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な上面図である。1 is a schematic top view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional schematic view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。1 is a schematic perspective view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる関節構造体の概略的な斜視図である。1 is a schematic perspective view of a joint structure according to a first embodiment. 実施の形態2にかかる関節構造体の概略的な側面図である。FIG. 6 is a schematic side view of a joint structure according to a second embodiment. 実施の形態3にかかるロボットの模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a robot according to a third embodiment. 参考説明のための説明図である。It is explanatory drawing for reference explanation. 参考説明のための説明図である。It is explanatory drawing for reference explanation. 参考説明のための説明図である。It is explanatory drawing for reference explanation. 参考説明のための説明図である。It is explanatory drawing for reference explanation. 参考説明のための説明図である。It is explanatory drawing for reference explanation.

実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施形態にかかる関節構造体100は、踵部(第1部材)50と爪先部(第2部材)20とが回転軸AXを介して回転可能に係合した構造体である(図1乃至図4参照)。回転軸AXは、X軸に対して平行な矢印方向(図1乃至図4参照)に可動に構成されており、爪先部20に対する踵部50の回動に同調して、回転軸AXが爪先部20上を移動する(図5参照:爪先部20の後端位置から回転軸AXまでの間隔は、W11<W21<W31を満足する)。このように関節構造体100を構成することによって、摩擦力の影響を抑制した態様にて、接地面からの離間動作を実現することが可能となる。端的には、接地面から踵部50を持ち上げることに要するトルクを小さくすることができ、ロボットの移動に要する消費電力を低減することができる。関節構造体100が移動体(例えば、ロボット)に取り付けられる場合には、その移動能力の向上も図ることができる。
Embodiment 1
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. A joint structure 100 according to the present embodiment is a structure in which a heel part (first member) 50 and a toe part (second member) 20 are rotatably engaged via a rotation axis AX (FIGS. 1 to 3). (See FIG. 4). The rotation axis AX is configured to be movable in the direction of an arrow parallel to the X axis (see FIGS. 1 to 4), and the rotation axis AX is synchronized with the rotation of the flange portion 50 with respect to the toe portion 20. It moves on the portion 20 (see FIG. 5: the interval from the rear end position of the toe portion 20 to the rotation axis AX satisfies W11 <W21 <W31). By configuring the joint structure 100 in this manner, it is possible to realize the separation operation from the ground plane in a manner in which the influence of the frictional force is suppressed. In short, the torque required to lift the collar unit 50 from the ground plane can be reduced, and the power consumption required to move the robot can be reduced. When the joint structure 100 is attached to a moving body (for example, a robot), the moving ability can be improved.

以下、図1乃至図11を参照して具体的に説明する。なお、各図面には、必要に応じて、XYZ座標が設定されている。X軸は、関節構造体100の進行方向に一致し、Y軸は、関節構造体100の幅方向に一致し、Z軸は、鉛直方向に一致する。上下左右といった方向を示す用語は、図面を正面視していることを前提とする。前後という用語は、原則として、関節構造体100の進行方向を基準として理解されるべきである。   Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIGS. In each drawing, XYZ coordinates are set as necessary. The X axis coincides with the traveling direction of the joint structure 100, the Y axis coincides with the width direction of the joint structure 100, and the Z axis coincides with the vertical direction. Terms indicating directions such as up, down, left and right are premised on the front view of the drawing. The terms front and rear should in principle be understood with reference to the direction of travel of the joint structure 100.

図1及び図2は、関節構造体の概略的な斜視図である。図3及び図4は、関節構造体の概略的な上面図である。図5は、関節構造体の概略的な側面図である。図6は、関節構造体の概略的な側面図/断面模式図である。図7は、回転比の調整を説明するための説明図である。図8は、関節構造体の概略的な上面図である。図9は、関節構造体の概略的な断面模式図である。図10及び図11は、関節構造体の概略的な斜視図である。   1 and 2 are schematic perspective views of the joint structure. 3 and 4 are schematic top views of the joint structure. FIG. 5 is a schematic side view of the joint structure. FIG. 6 is a schematic side view / sectional schematic view of a joint structure. FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the adjustment of the rotation ratio. FIG. 8 is a schematic top view of the joint structure. FIG. 9 is a schematic cross-sectional schematic view of a joint structure. 10 and 11 are schematic perspective views of the joint structure.

図1乃至図4に示すように、関節構造体100は、爪先部20、及び踵部50を有する。爪先部20と踵部50間は、リンク機構30により接続されている。図2に示すように、リンク機構30は、ジョイント31、リンク32、ジョイント33、リンク34を含む。   As shown in FIGS. 1 to 4, the joint structure 100 includes a toe portion 20 and a heel portion 50. The toe part 20 and the heel part 50 are connected by a link mechanism 30. As shown in FIG. 2, the link mechanism 30 includes a joint 31, a link 32, a joint 33, and a link 34.

図1に示すように、爪先部20は、爪を模した形状の先端部21と、回転軸AXの移動路を提供するガイド部22とから構成される。先端部21は、平板21a、平板21b、及び3つのアーチ部21cから構成される。平板21aは、xy平面内に位置する平板状部材である。平板21bは、zy平面内に位置する平板状部材であり、平板21aに対して垂直に起立して設けられている。アーチ部21cは、平板21aの先端部分と平板21bの上端部分とを接続するアーチ状部分である。   As shown in FIG. 1, the toe portion 20 includes a tip portion 21 shaped like a nail and a guide portion 22 that provides a moving path of the rotation axis AX. The tip portion 21 includes a flat plate 21a, a flat plate 21b, and three arch portions 21c. The flat plate 21a is a flat plate-like member located in the xy plane. The flat plate 21b is a flat plate-like member located in the zy plane, and is provided upright perpendicular to the flat plate 21a. The arch portion 21c is an arch-shaped portion that connects the tip portion of the flat plate 21a and the upper end portion of the flat plate 21b.

図2に示すように、ガイド部22は、平板部22aに対して枠状部22b及び枠状部22cが立設され、枠状部22bと枠状部22cとが梁部22dによって連結された構造を有する。平板部22aは、xy平面内に位置する平板状部材である。枠状部22bは、XZ平面内に位置する枠状部分である。枠状部22bは、x軸方向に延在する柱状部とz軸方向に延在する柱状部とから構成される。枠状部22cの構成は、枠状部22bと略同様である。平板部22a、枠状部22b、枠状部22cの先端側部分は、平板21bの背面に対して連結している(図11参照)。   As shown in FIG. 2, the guide portion 22 has a frame-shaped portion 22b and a frame-shaped portion 22c erected with respect to the flat plate portion 22a, and the frame-shaped portion 22b and the frame-shaped portion 22c are connected by a beam portion 22d. It has a structure. The flat plate portion 22a is a flat plate-like member located in the xy plane. The frame-shaped part 22b is a frame-shaped part located in the XZ plane. The frame-like portion 22b includes a columnar portion extending in the x-axis direction and a columnar portion extending in the z-axis direction. The configuration of the frame-shaped portion 22c is substantially the same as that of the frame-shaped portion 22b. The tip side portions of the flat plate portion 22a, the frame-shaped portion 22b, and the frame-shaped portion 22c are connected to the back surface of the flat plate 21b (see FIG. 11).

後述の説明から理解されるように、ガイド部22には、回転軸AXに沿って、ガイドレール、ラック、ガイドレールが設けられており、これによって、踵部50に設けられたスライダ、ピニオン、スライダのx軸方向の変位が好適にガイドされる。   As will be understood from the description below, the guide portion 22 is provided with a guide rail, a rack, and a guide rail along the rotation axis AX, and thereby, a slider, a pinion, The displacement of the slider in the x-axis direction is preferably guided.

図2に示すように、踵部50は、ベース板53、変速機(回転比調整機構)41、スライダ42(図6(b)参照)、ピニオン43、スライダ44、及び天板80を有する。踵部50には、電気モーター61、プーリ―62、プーリ―63、ベルト64、ナット部65といった駆動部品が実装されている。リンク34とナット部65は、いわゆる"ボールねじ"を構成する。ナット部65の回転によって、リンク34の送り量(換言すれば、リンク34上のナット部65の位置)が調整され、これにより、接地状態の爪先部20に対する踵部50の傾斜調整が可能となる。   As shown in FIG. 2, the flange 50 includes a base plate 53, a transmission (rotation ratio adjusting mechanism) 41, a slider 42 (see FIG. 6B), a pinion 43, a slider 44, and a top plate 80. Driving parts such as an electric motor 61, a pulley 62, a pulley 63, a belt 64, and a nut part 65 are mounted on the flange 50. The link 34 and the nut portion 65 constitute a so-called “ball screw”. The feed amount of the link 34 (in other words, the position of the nut portion 65 on the link 34) is adjusted by the rotation of the nut portion 65, so that the inclination of the flange portion 50 with respect to the toe portion 20 in the grounded state can be adjusted. Become.

なお、ベース板53に実装される駆動部品(電気モーター61、プーリ―62、プーリ―63、ベルト64、ナット部65)を含めて、踵部50を把握しても良い。ナット部65を含めてリンク機構30を把握しても良い。駆動源(電気モーター61)と伝達機構(プーリ―62、プーリ―63、ベルト64、ナット部65)とによって駆動機構/駆動手段が実現される。駆動機構により、リンク機構30に含まれるリンク34の送り量が調整される。なお、個々の部材を包含する上位概念の認定態様は様々であり、本実施形態にて説明された上位概念に限られるべきではない。   In addition, you may grasp | ascertain the collar part 50 including the drive components (The electric motor 61, the pulley 62, the pulley 63, the belt 64, and the nut part 65) mounted in the base board 53. FIG. The link mechanism 30 including the nut portion 65 may be grasped. A drive mechanism / drive means is realized by the drive source (electric motor 61) and the transmission mechanism (pulley 62, pulley 63, belt 64, nut portion 65). The feed amount of the link 34 included in the link mechanism 30 is adjusted by the drive mechanism. In addition, the recognition aspect of the superordinate concept including each member is various, and should not be limited to the superordinate concept described in the present embodiment.

繰り返しとなるが、踵部50には、ネジ軸として機能するリンク34とナットとして機能するナット部65から構成される"ボールねじ"が実装されている。電気モーター61によるナット部65の回転制御により、リンク34の送りが制御され、爪先部20に対する踵部50の傾斜調整が実行される。   Again, the flange 50 is mounted with a “ball screw” composed of a link 34 that functions as a screw shaft and a nut portion 65 that functions as a nut. The feed of the link 34 is controlled by the rotation control of the nut portion 65 by the electric motor 61, and the inclination adjustment of the flange portion 50 with respect to the toe portion 20 is executed.

図2に示すように、踵部50のベース板53は、xy平面内に位置する平板状部材である。ベース板53は、平板部から爪先部20側へ延出した一組の軸保持部55、56を有する。軸保持部55は、x軸に沿って直線状に延在する延在部55aと当該延在部55aの先端に設けられた側面視円状の円状部55bを有する。軸保持部56も同様に、x軸に沿って直線状に延在する延在部56aと当該延在部56aの先端に設けられた円状部56bを有する。円状部55b、56bの各中心点は、回転軸AX上に配置されている。   As shown in FIG. 2, the base plate 53 of the flange portion 50 is a flat plate-like member located in the xy plane. The base plate 53 includes a pair of shaft holding portions 55 and 56 extending from the flat plate portion toward the toe portion 20 side. The shaft holding portion 55 includes an extending portion 55a extending linearly along the x-axis and a circular portion 55b having a circular shape in side view provided at the tip of the extending portion 55a. Similarly, the shaft holding portion 56 has an extending portion 56a extending linearly along the x-axis and a circular portion 56b provided at the tip of the extending portion 56a. The center points of the circular portions 55b and 56b are arranged on the rotation axis AX.

ベース板53の平板部には、壁部57a、柱部57b、壁部57c、柱部57d、柱部57e、及び壁部57fが立設されている。壁部57aと壁部57c間には、プーリ―63とナット部65が配置されている。ナット部65は、壁部57cに対して固定されてなく、回転可能な状態にある。壁部57a、柱部57b、壁部57c、柱部57d、柱部57e、及び壁部57fによって、踵部50上に天板80が強固定される。なお、踵部50に対する天板80の固定方法は任意である。   On the flat plate portion of the base plate 53, a wall portion 57a, a column portion 57b, a wall portion 57c, a column portion 57d, a column portion 57e, and a wall portion 57f are erected. A pulley 63 and a nut portion 65 are disposed between the wall portion 57a and the wall portion 57c. The nut portion 65 is not fixed to the wall portion 57c and is in a rotatable state. The top plate 80 is strongly fixed on the flange 50 by the wall 57a, the column 57b, the wall 57c, the column 57d, the column 57e, and the wall 57f. In addition, the fixing method of the top plate 80 with respect to the collar part 50 is arbitrary.

壁部57fの後面には、踵部50の平板部上に固定された電気モーター61が配置されている。壁部57fの前面には、プーリ―62が設けられている。電気モーター61の回転軸とプーリ―62の回転軸とは連結している。電気モーター61の駆動により、プーリ―62をyz平面内にて回転する。プーリ―62とプーリ―63とは、同一のyz平面に配置されており、両者は、共通のベルト64により回し掛けられている。プーリ―62の回転軸とプーリ―63の回転軸とは互いに平行に存在する。ベルト64は、例えば、歯付きベルトである。各プーリ―62、63には、その周方向に連続した歯が形成されており、この歯は、ベルト64の歯と噛み合わされる。なお、プーリ―63は、プーリ―62との比較において従動プーリ―として機能する。プーリ―63は、ナット部65に対して位置固定されており、プーリ―63で受けた回転力は、ナット部65へ伝達される。ナット部65が回転することによって、リンク34の進退(前後位置)が調整される。   An electric motor 61 fixed on the flat plate portion of the flange portion 50 is disposed on the rear surface of the wall portion 57f. A pulley 62 is provided on the front surface of the wall portion 57f. The rotating shaft of the electric motor 61 and the rotating shaft of the pulley 62 are connected. By driving the electric motor 61, the pulley 62 is rotated in the yz plane. The pulley 62 and the pulley 63 are disposed on the same yz plane, and both are wound around a common belt 64. The rotating shaft of the pulley 62 and the rotating shaft of the pulley 63 are parallel to each other. The belt 64 is, for example, a toothed belt. The pulleys 62 and 63 are formed with continuous teeth in the circumferential direction, and these teeth are meshed with the teeth of the belt 64. The pulley 63 functions as a driven pulley in comparison with the pulley 62. The pulley 63 is fixed in position with respect to the nut portion 65, and the rotational force received by the pulley 63 is transmitted to the nut portion 65. As the nut portion 65 rotates, the advance / retreat (front-rear position) of the link 34 is adjusted.

図2及び図4に示すように、踵部50と爪先部20間には、リンク機構30が設けられている。上述のように、リンク機構30は、ジョイント31、リンク32、ジョイント33、およびリンク34を有する。ジョイント31は、先端部21とリンク32間の連結部分である。ジョイント33は、リンク32とリンク34間の連結部分である。リンク32、34は、直線状に延在する軸状部材である。ジョイント31を介して、先端部21とリンク32とは、xz平面内にて揺動可能に接続されている。ジョイント33を介して、リンク32とリンク34とは、xz平面内にて揺動可能に接続されている。各ジョイントの自由度は任意であり、2以上の自由度を付与しても良い。   As shown in FIGS. 2 and 4, a link mechanism 30 is provided between the heel part 50 and the toe part 20. As described above, the link mechanism 30 includes the joint 31, the link 32, the joint 33, and the link 34. The joint 31 is a connecting portion between the tip 21 and the link 32. The joint 33 is a connecting portion between the link 32 and the link 34. The links 32 and 34 are shaft-like members extending linearly. The tip 21 and the link 32 are connected via the joint 31 so as to be swingable in the xz plane. Via the joint 33, the link 32 and the link 34 are connected so as to be swingable in the xz plane. The degree of freedom of each joint is arbitrary, and two or more degrees of freedom may be given.

図4に示すように、リンク32は、ガイド部22に対応づけて設けられている。リンク34は、踵部50に対して対応づけて設けられている。爪先部20及び踵部50が接地しているとき、リンク32は、x軸に対して平行に延在し、同様に、リンク34は、x軸に対して平行に延在する。爪先部20及び踵部50が接地しているとき、ジョイント31からジョイント33までのx軸上の距離は、ガイド部22のx軸上の長さと略同一である。   As shown in FIG. 4, the link 32 is provided in association with the guide portion 22. The link 34 is provided in association with the collar unit 50. When the toe portion 20 and the heel portion 50 are in contact with the ground, the link 32 extends parallel to the x-axis, and similarly, the link 34 extends parallel to the x-axis. When the toe portion 20 and the heel portion 50 are grounded, the distance on the x-axis from the joint 31 to the joint 33 is substantially the same as the length of the guide portion 22 on the x-axis.

図4に示すように、リンク34は、壁部57a、プーリー63に設けられた各開口を通過し、ナット部65に対して係合する。リンク34とナット部65は、上述のように"ボールねじ"を構成する。例えば、リンク34の外周面には、ボールの進行通路(例えば、この進行通路は、らせん状に延在する)が設けられている。ナット部65にも、ボールの進行通路が設けられている。リンク34とナット部65の各通路が連続することによって、両者は係合状態となる。リンク34とナット部65と間に連続形成される進行通路内には、多数のボールが隙間無く配置される。ナット部65の回転によって、各ボールは、上述の通路内を循環し、これに応じて、ナット部65に対してリンク34が進退する。このように、ナット部65の回転によってリンク34が進退制御される。なお、リンク34の進退制御は、ボールねじ以外の手段を用いて実現しても良い。   As shown in FIG. 4, the link 34 passes through the openings provided in the wall portion 57 a and the pulley 63 and engages with the nut portion 65. The link 34 and the nut portion 65 constitute a “ball screw” as described above. For example, a ball traveling path (for example, the traveling path extends in a spiral shape) is provided on the outer peripheral surface of the link 34. The nut portion 65 is also provided with a ball advancing passage. When the passages of the link 34 and the nut portion 65 are continuous, both are engaged. A large number of balls are arranged without gaps in a traveling passage formed continuously between the link 34 and the nut portion 65. By rotation of the nut portion 65, each ball circulates in the above-described passage, and accordingly, the link 34 advances and retreats with respect to the nut portion 65. In this way, the link 34 is advanced and retracted by the rotation of the nut portion 65. The advance / retreat control of the link 34 may be realized by using means other than the ball screw.

接地面から踵部50が持ち上げられる動作は、例えば、次のメカニズムにより実現される。まず、電気モーター61を駆動し、電気モーター61の回転軸を回転させる。電気モーター61の回転軸が回転すると、プーリ―62も回転する。プーリ―62が回転すると、共通のベルト64が回し掛けられたプーリ―63が回転する。プーリ―63が回転すると、ナット部65も回転する。ナット部65が回転すると、リンク34が踵部50側へ近接/離間する方向へ移動ことになる。例えば、ナット部65が右回転すると、リンク34は、図4を正面視して上側へ移動する。ナット部65が左回転すると、リンク34は、図4を正面視して下側へ移動する。図5に模式的に示すように、ナット部65よりも先端側に存在するリンク34の長さが調整されることによって、回転軸AXを回転軸として、接地面に対する踵部50の傾斜角度が調整されることになる。   The operation | movement which the collar part 50 is lifted from a ground surface is implement | achieved by the following mechanism, for example. First, the electric motor 61 is driven, and the rotating shaft of the electric motor 61 is rotated. When the rotating shaft of the electric motor 61 rotates, the pulley 62 also rotates. When the pulley 62 rotates, the pulley 63 around which the common belt 64 is turned rotates. When the pulley 63 rotates, the nut portion 65 also rotates. When the nut portion 65 rotates, the link 34 moves in a direction approaching / separating toward the flange portion 50 side. For example, when the nut portion 65 rotates to the right, the link 34 moves upward as viewed from the front in FIG. When the nut portion 65 rotates counterclockwise, the link 34 moves downward as viewed in front of FIG. As schematically shown in FIG. 5, by adjusting the length of the link 34 existing on the tip side of the nut portion 65, the inclination angle of the flange portion 50 with respect to the ground contact surface is set with the rotation axis AX as the rotation axis. Will be adjusted.

関節構造体100は、1以上の脚部を有する歩行ロボットの足部を構成する。関節構造体100は、接地面から離れる際、爪先部20が接地している状態で、爪先部20側へ接地面上において踵部50が転がり移動する。通常、踵部50が接地面から離れる際には、摩擦力が生じるため、この摩擦力に打ち勝つだけのトルクを爪先部20と踵部50との間に生じさせることが要求される。本実施形態では、この摩擦力の影響を低減させるべく、爪先部20側へ接地面上において踵部50を転がり移動させる。より具体的には、踵部50に対して回転軸AXを設け、この回転軸AXが、踵部50が接地面から離れることに同調して、爪先部20の先端側へ爪先部20上を移動する。これによって、踵部50は、接地面上を転がり、それゆえ、摩擦力の影響を抑制することが可能となる。なお、関節構造体100の用途は任意であり、歩行ロボットの足部に用途限定されるべきものではない。   The joint structure 100 constitutes a foot part of a walking robot having one or more leg parts. When the joint structure 100 is separated from the ground contact surface, the heel portion 50 rolls and moves on the ground contact surface toward the toe portion 20 in a state where the tip toe portion 20 is grounded. Usually, when the flange 50 is separated from the ground contact surface, a frictional force is generated. Therefore, it is required to generate a torque between the toe portion 20 and the flange 50 so as to overcome the frictional force. In this embodiment, in order to reduce the influence of this frictional force, the collar part 50 is rolled and moved on the ground contact surface to the toe part 20 side. More specifically, a rotation axis AX is provided for the heel part 50, and this rotation axis AX is synchronized with the separation of the heel part 50 from the grounding surface, and moves the top of the toe part 20 to the tip side of the toe part 20. Moving. As a result, the flange 50 rolls on the ground contact surface, and therefore it is possible to suppress the influence of the frictional force. In addition, the use of the joint structure 100 is arbitrary, and should not be limited to the feet of the walking robot.

図5を参照して、関節構造体100が変形する過程を説明する。図5(a)〜図5(c)の順に、関節構造体100は変形する。   A process of deforming the joint structure 100 will be described with reference to FIG. The joint structure 100 is deformed in the order of FIG. 5A to FIG.

図5(a)に示すとき、爪先部20及び踵部50は接地している。壁部57aから先端側へ延出しているリンク34の長さ(以下、リンク34の延出長と呼ぶ場合がある)はW10である。回転軸AXは、ガイド部22の後端面から幅W11分だけ離間した位置にある。   As shown in FIG. 5A, the toe portion 20 and the heel portion 50 are grounded. The length of the link 34 extending from the wall portion 57a to the distal end side (hereinafter sometimes referred to as the extension length of the link 34) is W10. The rotation axis AX is at a position separated from the rear end surface of the guide portion 22 by the width W11.

図5(b)に示すとき、接地面に対して踵部50がθ20度(なお、θ20度=20度ではない)だけ傾いて持ち上げられている。リンク34の延出長がW10からW20へ短く調整されることに同調して、踵部50は、接地面に対してθ20度だけ傾いた状態となる。回転軸AXは、ガイド部22の後面から幅W21分だけ離間した位置にある(幅W11<幅W21)。   As shown in FIG. 5B, the flange 50 is lifted with an inclination of θ20 degrees (not θ20 degrees = 20 degrees) with respect to the ground plane. In synchronization with the extension length of the link 34 being adjusted to be shortened from W10 to W20, the flange portion 50 is inclined by θ20 degrees with respect to the ground plane. The rotation axis AX is at a position separated from the rear surface of the guide portion 22 by the width W21 (width W11 <width W21).

図5(c)に示すとき、接地面に対して踵部50がθ30度(なお、θ30度=30度ではない)だけ傾いて持ち上げられている。リンク34の延出長がW20からW30へ短く調整されることに同調して、踵部50は、接地面に対してθ30度だけ傾いた状態となる。回転軸AXは、ガイド部22の後面から幅W31分だけ離間した位置にある(幅W21<幅W31)。なお、リンク34の後端は、ベース板53の後端付近まで移動していることが分かる。   As shown in FIG. 5C, the flange 50 is lifted with an inclination of θ30 degrees (not θ30 degrees = 30 degrees) with respect to the ground plane. In synchronization with the extension length of the link 34 being adjusted to be shortened from W20 to W30, the flange portion 50 is inclined by θ30 degrees with respect to the ground plane. The rotation axis AX is at a position separated from the rear surface of the guide portion 22 by the width W31 (width W21 <width W31). It can be seen that the rear end of the link 34 has moved to the vicinity of the rear end of the base plate 53.

図5の開示から把握されるように、リンク34の延出長が短く調整されるに同調して、爪先部20に対して踵部50が回動し、踵部50が接地面から離れ、これらと同時に、踵部50が接地面上を転がる。換言すれば、リンク34の延出長が短くなるに同調して、爪先部20に対して踵部50が回動し、爪先部20上を回転軸AXが移動する。これによって、摩擦力の影響を抑制した態様で、接地面からの離間動作を実現することができる。軸保持部55の先端部分は円状に構成されている。従って、軸保持部55は、前方(図5を正面視して左側)に向かって接地面上を好適に転がることができる。このような転がりによって、爪先部20に対する踵部50の相対変位に要するトルクを小さくすることができ、電気モーター61の消費電力を低減することが可能となる。   As can be understood from the disclosure of FIG. 5, in synchronization with the extension length of the link 34 being adjusted to be short, the collar part 50 is rotated with respect to the toe part 20, and the collar part 50 is separated from the ground surface, At the same time, the flange 50 rolls on the ground plane. In other words, in synchronization with the extension length of the link 34 being shortened, the flange portion 50 rotates with respect to the toe portion 20, and the rotation axis AX moves on the toe portion 20. Thereby, the separation operation from the ground contact surface can be realized in a mode in which the influence of the frictional force is suppressed. The tip portion of the shaft holding portion 55 is formed in a circular shape. Therefore, the shaft holding portion 55 can suitably roll on the ground surface toward the front (left side when FIG. 5 is viewed from the front). Such rolling can reduce the torque required for the relative displacement of the flange portion 50 with respect to the toe portion 20, and can reduce the power consumption of the electric motor 61.

図6を参照して、踵部50に設けられた回転軸AXが爪先部20に対して係合している具体的態様について説明する。図6(b)は、図6(a)の一点鎖線に沿う断面模式図である。   With reference to FIG. 6, the specific aspect in which the rotating shaft AX provided in the collar part 50 is engaged with the toe part 20 will be described. FIG. 6B is a schematic cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line in FIG.

図6(b)に模式的に示すように、回転軸AX上には、変速機41、ピニオン43が配置されている。ピニオン43及び変速機41の各回転軸は、回転軸AXに一致する。変速機41は、後述の説明のように、ピニオン43の回転量と円状部55b、56bの回転量を調整するために設けられている。ピニオン43は、平板部22aの上面に設けられたラック27に歯合している。ピニオン43がラック27上を移動することによって、回転軸AXがラック27上を移動することになる。   As schematically shown in FIG. 6B, a transmission 41 and a pinion 43 are arranged on the rotation axis AX. The rotation axes of the pinion 43 and the transmission 41 coincide with the rotation axis AX. The transmission 41 is provided to adjust the rotation amount of the pinion 43 and the rotation amounts of the circular portions 55b and 56b, as will be described later. The pinion 43 meshes with a rack 27 provided on the upper surface of the flat plate portion 22a. As the pinion 43 moves on the rack 27, the rotation axis AX moves on the rack 27.

図6(b)に示すように、ピニオン43の両側には、上下方向に突出した一組のスライダ(スライダ42及びスライダ44)が設けられている。スライダ44の上部は、枠状部22bに設けられた凹状のガイドレール22b1によりガイドされる。スライダ42の上部は、枠状部22cに設けられた凹状のガイドレール22c1によりガイドされる。スライダ44の下部は、平板部22aに設けられた凹状のガイドレール22a1によりガイドされる。スライダ42の下部は、平板部22aに設けられた凹状のガイドレール22a2によりガイドされる。スライダとガイドレールから構成されるガイド機構(案内機構)によって、x軸に沿ってピニオン43(回転軸AX)が直線移動することを確保できる。ピニオン43(回転軸AX)をx軸に沿って直動させることで、円状部55b、56bが接地面上を安定して連続的に転がる状態を確保することができる。   As shown in FIG. 6B, on both sides of the pinion 43, a pair of sliders (slider 42 and slider 44) protruding in the vertical direction are provided. The upper portion of the slider 44 is guided by a concave guide rail 22b1 provided in the frame-like portion 22b. The upper portion of the slider 42 is guided by a concave guide rail 22c1 provided in the frame-like portion 22c. The lower portion of the slider 44 is guided by a concave guide rail 22a1 provided on the flat plate portion 22a. The lower portion of the slider 42 is guided by a concave guide rail 22a2 provided on the flat plate portion 22a. By the guide mechanism (guide mechanism) including the slider and the guide rail, it is possible to ensure that the pinion 43 (the rotation axis AX) linearly moves along the x axis. By moving the pinion 43 (rotating axis AX) linearly along the x-axis, it is possible to ensure a state where the circular portions 55b and 56b roll stably and continuously on the ground surface.

図7を参照して変速機41を設ける理由について説明する。図7(a)に示すように、ピニオン43の半径をrとし、円状部56bの回転半径をrとする。このとき、変速機41の減速比は、次のように求まる。
変速機41の減速比=r/r
The reason why the transmission 41 is provided will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7 (a), the radius of the pinion 43 and r p, the radius of rotation of the circular portion 56b and r h. At this time, the reduction ratio of the transmission 41 is obtained as follows.
Reduction ratio of transmission 41 = r h / r p

図7(b)に示すように、回転角度=θとすると、ピニオン43の転がり量dと円状部56bの転がり量dは次のように算出される。
=r×θ
=r×θ×(r/r)=r×θ
As shown in FIG. 7 (b), when the rotation angle = theta, rolling amount d h of the rolling amount d p and circular portion 56b of the pinion 43 is calculated as follows.
d h = r h × θ
d p = r p × θ × (r h / r p ) = r h × θ

変速機41のギア比は、ピニオン43の転がり量dと円状部56bの転がり量dとは互いに一致するように調整されている。ピニオン43の転がり量dと円状部56bの転がり量dが一致させることによって、円状部56bが接地面上を移動する際に滑りが生じないように構成することができる。なお、ピニオン43と円状部56b間の関係は、ピニオン43と円状部55b間の関係についても同様である。各円状部の回転中心は、ピニオン43の回転軸と同様、回転軸AX上に位置する。変速機41の回転軸も同様に、回転軸AX上に位置する。 Gear ratio of the transmission 41 is adjusted to match each other and the rolling amount d h of the rolling amount d p and circular portion 56b of the pinion 43. By rolling amount d h of the rolling amount d p and circular portion 56b of the pinion 43 match, can be circular portion 56b is configured so that no slipping when moving over the ground surface. The relationship between the pinion 43 and the circular portion 56b is the same as the relationship between the pinion 43 and the circular portion 55b. The rotation center of each circular portion is located on the rotation axis AX, like the rotation axis of the pinion 43. Similarly, the rotation shaft of the transmission 41 is positioned on the rotation shaft AX.

図8及び図9を参照してラック27上をピニオン43が移動する過程を補足的に説明する。図9(a)〜(c)は、図8の一点鎖線に沿う断面模式図である。図9(a)〜(c)の順に、リンク34の延出長は短く調整される。   A process of moving the pinion 43 on the rack 27 will be supplementarily described with reference to FIGS. 9A to 9C are schematic cross-sectional views taken along the alternate long and short dash line in FIG. 9A to 9C, the extension length of the link 34 is adjusted to be short.

図9(a)に示すとき、爪先部20及び踵部50は接地している。ピニオン43の回転軸AXは、ラック27の後端位置から幅W11分だけ離間した位置にある。   As shown in FIG. 9A, the toe portion 20 and the heel portion 50 are grounded. The rotation axis AX of the pinion 43 is at a position separated from the rear end position of the rack 27 by the width W11.

図9(b)に示すとき、接地面に対して踵部50がθ20度だけ傾いて持ち上げられている。ピニオン43の回転軸AXは、ラック27の後端位置から幅W21分だけ離間した位置にある(幅W11<幅W21)。   As shown in FIG. 9B, the flange portion 50 is lifted with an inclination of θ20 degrees with respect to the ground contact surface. The rotation axis AX of the pinion 43 is at a position separated from the rear end position of the rack 27 by the width W21 (width W11 <width W21).

図9(c)に示すとき、接地面に対して踵部50がθ30度だけ傾いて持ち上げられている。ピニオン43の回転軸AXは、ラック27の後端位置から幅W31分だけ離間した位置にある(幅W21<幅W31)。   As shown in FIG. 9C, the flange 50 is lifted with an inclination of θ30 degrees with respect to the ground contact surface. The rotation axis AX of the pinion 43 is at a position separated from the rear end position of the rack 27 by a width W31 (width W21 <width W31).

図9の開示から把握されるように、リンク34の延出長が短く調整されるに同調して、ピニオン43がラック27上を転がる。ピニオン43の回転に同調して、円状部55bは接地面上を転がる。ラック27は、水平方向に延在し、ピニオン43は、ラック27上を水平移動する。従って、接地状態を保ちつつ、円状部55bも接地面に沿って水平移動する。   As can be understood from the disclosure of FIG. 9, the pinion 43 rolls on the rack 27 in synchronization with the extension length of the link 34 being adjusted to be short. In synchronization with the rotation of the pinion 43, the circular portion 55b rolls on the ground plane. The rack 27 extends in the horizontal direction, and the pinion 43 moves horizontally on the rack 27. Accordingly, the circular portion 55b also moves horizontally along the contact surface while maintaining the contact state.

図10及び図11に、関節構造体100の変化の態様を模式的に示す斜視図を示す。   10 and 11 are perspective views schematically showing changes in the joint structure 100. FIG.

図10に示すように、関節構造体100は、先端部21が接地した状態で、踵部50は先端部21側へ回転移動する。踵部50の各軸保持部の先端は円状に構成されているため、踵部50の回転移動は好適に為し得る。その後、踵部50は、円状部のみで接地している状態となり、最終的には、爪先部20と共に接地面から離れる。なお、踵部50が接地面から離れるタイミングと先端部21が接地面から離れるタイミングとを略同時とすると良いが、これに限られるべきものではない。   As shown in FIG. 10, in the joint structure 100, the collar portion 50 rotates and moves toward the distal end portion 21 with the distal end portion 21 being grounded. Since the tip of each shaft holding part of the collar part 50 is formed in a circular shape, the rotational movement of the collar part 50 can be suitably performed. Thereafter, the heel portion 50 is in a state of being grounded only by the circular portion, and finally leaves the ground surface together with the toe portion 20. It should be noted that the timing at which the collar portion 50 is separated from the ground surface and the timing at which the tip portion 21 is separated from the ground surface are preferably substantially the same, but this is not restrictive.

図10は、接地面の下方から接地面を透過して関節構造体100の姿勢変化を斜視した図である。図10に示すように、踵部50が接地面から離れるに応じて、踵部50は、前方に移動する。軸保持部55と軸保持部56との間には、ガイド部22を受け入れる受け空間が設けられている。これによって、ガイド部22とベース板53とが干渉することを効果的に抑制することができる。   FIG. 10 is a perspective view of the posture change of the joint structure 100 through the grounding surface from below the grounding surface. As shown in FIG. 10, the collar part 50 moves forward as the collar part 50 moves away from the ground contact surface. A receiving space for receiving the guide portion 22 is provided between the shaft holding portion 55 and the shaft holding portion 56. Thereby, it can suppress effectively that the guide part 22 and the base board 53 interfere.

図11に示すように、接地面から踵部50が離れるに応じて、リンク34は、壁部57cから徐々に後方へ延出する。これは、壁部57aから前方に延出しているリンク34の長さが短くなることの結果として生じる。   As shown in FIG. 11, the link 34 gradually extends rearward from the wall portion 57 c as the flange portion 50 moves away from the ground surface. This occurs as a result of the shortening of the length of the link 34 extending forward from the wall 57a.

なお、壁部57cには、ねじ軸として機能するリンク34が通過可能な開口が設けられている。壁部57aについても同様である。   The wall 57c is provided with an opening through which the link 34 functioning as a screw shaft can pass. The same applies to the wall 57a.

実施の形態2
図12を参照して実施の形態2について説明する。図12に模式的に示すように、ベース板53の底面には、一定厚の層状の弾性部材90が貼り付けられている。踵部50を接地面から浮かせる過程で、踵部50の後方から前方へ弾性部材90に係る加重が減少する。このとき、踵部50が短時間で接地面から離れる場合には、床反力が突然存在しない状態となってしまい、床反力の分布を緩慢に変化させることができなくなるおそれがある。本実施形態では、この点に鑑みて、踵部50の底面に対して弾性部材90を設ける。これによって、踵部50が接地面から受ける床反力の分布を緩慢に変化させること(床反力の分布を滑らかに爪先部20側へ変化させること)が可能となり、床反力の影響を抑制した態様にて、関節構造体100を接地面から浮かせることが可能になる。
Embodiment 2
The second embodiment will be described with reference to FIG. As schematically shown in FIG. 12, a layered elastic member 90 having a constant thickness is attached to the bottom surface of the base plate 53. In the process of floating the flange 50 from the ground contact surface, the load applied to the elastic member 90 decreases from the rear to the front of the flange 50. At this time, if the collar portion 50 moves away from the ground contact surface in a short time, the floor reaction force suddenly does not exist, and the distribution of the floor reaction force may not be changed slowly. In this embodiment, the elastic member 90 is provided with respect to the bottom face of the collar part 50 in view of this point. As a result, it is possible to slowly change the distribution of the floor reaction force that the flange 50 receives from the ground contact surface (smoothly change the distribution of the floor reaction force toward the toe portion 20 side). In a suppressed manner, the joint structure 100 can be floated from the ground plane.

本実施形態によれば、ロボットの足部として関節構造体100をロボットに組み込む場合、ZMP(Zero Moment Point)が後方へずれることによってロボット全体の安定性が劣化することも効果的に抑制することができる。なお、ZMPとは、足裏全体に分布してかかっている床反力の法線成分を,ある一点にかかっているとして置き換えたときの作用点のことである。昨今のロボットにおいては、ZMPの位置を算出し、ZMPの位置が所定範囲内に存在するように駆動系を制御することが行われている。弾性部材90の材料は、例えば、樹脂等が例示されるが、これに限らず任意である。   According to the present embodiment, when the joint structure 100 is incorporated in the robot as a foot part of the robot, the stability of the entire robot is effectively suppressed from deteriorating due to the ZMP (Zero Moment Point) shifting backward. Can do. ZMP is an action point when the normal component of the floor reaction force distributed over the entire sole is replaced with a certain point. In recent robots, the ZMP position is calculated and the drive system is controlled so that the ZMP position is within a predetermined range. The material of the elastic member 90 is, for example, resin or the like, but is not limited thereto and is arbitrary.

実施の形態3
図13を参照して実施の形態3について説明する。図13に示すように、実施の形態1又は2に示した関節構造体100は、ロボット200の足部を構成する。このような場合であっても、上述の実施形態1及び2と同様の効果を得ることができる。なお、図13に示すように、ロボット200は、胴部201、複数の関節を含むアーム202、203、複数の関節を含む脚部204、205を有する。ロボット200は、自立的又は外部からの指令に応じて、2足歩行により空間移動する。なお、関節構造体100の組み込み対象は、このような2足歩行ロボットに限られるべきものではない。
Embodiment 3
Embodiment 3 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 13, joint structure 100 shown in the first or second embodiment constitutes a foot portion of robot 200. Even in such a case, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained. As illustrated in FIG. 13, the robot 200 includes a trunk portion 201, arms 202 and 203 including a plurality of joints, and leg portions 204 and 205 including a plurality of joints. The robot 200 moves in space by bipedal walking in response to an independent or external command. It should be noted that the target for incorporating joint structure 100 is not limited to such a biped robot.

参考説明
以下、図14乃至図18を参照して参考説明をする。図14乃至図18を参照した後述の説明を踏まえて、上述の実施形態の開示内容を把握しても良い。
Reference Explanation A reference explanation will be given below with reference to FIGS. Based on the following description with reference to FIGS. 14 to 18, the disclosure content of the above-described embodiment may be grasped.

図14に示すように、爪先部301と踵部302が回転機構303を介して接続されている場合について検討する。図14(a)に示すように、回転機構303の回転制御により、踵部302を接地面から持ち上げる場合、踵部302と床間の摩擦により、図14(b)の矢印に示す摩擦力が生じてしまう。   As shown in FIG. 14, the case where the toe portion 301 and the heel portion 302 are connected via the rotation mechanism 303 will be considered. As shown in FIG. 14A, when the collar 302 is lifted from the ground surface by the rotation control of the rotation mechanism 303, the friction force indicated by the arrow in FIG. 14B is caused by the friction between the collar 302 and the floor. It will occur.

上述の摩擦力を低減するためには、図15に示す解決手段が考えられる。   In order to reduce the above-mentioned frictional force, a solution means shown in FIG. 15 can be considered.

図15(a)に示すように、回転機構303の高さを低くすることによって摩擦力を低減することが考えられる。しかしながら、回転機構303の大きさを無視することはできず、また、爪先部301又は踵部302に対する干渉も回避する必要があるため、回転機構303の高さを低くすることには限界がある。   As shown in FIG. 15A, it is conceivable to reduce the frictional force by reducing the height of the rotating mechanism 303. However, the size of the rotation mechanism 303 cannot be ignored, and it is necessary to avoid interference with the toe part 301 or the hook part 302. Therefore, there is a limit to reducing the height of the rotation mechanism 303. .

図15(b)に示すように、回転機構303を前側に配置することによって摩擦力を低減することが考えられる。しかしながら、回転機構303を前側に配置するとしても、爪先部301の先端までという限界がある。加えて、回転機構303から外部から見て目立つ箇所に配置することは、意匠的な観点から好ましくない。回転機構303を前方に配置すると、意匠設計の自由度が損なわれるという問題もある。   As shown in FIG. 15B, it is conceivable to reduce the frictional force by arranging the rotating mechanism 303 on the front side. However, even if the rotation mechanism 303 is disposed on the front side, there is a limit to the tip of the toe portion 301. In addition, it is not preferable from the viewpoint of design to dispose the rotating mechanism 303 in a conspicuous portion as viewed from the outside. If the rotation mechanism 303 is disposed in front, there is a problem that the degree of freedom in design design is impaired.

図15(c)に示すように、踵部302の底面の面積を減らすことが考えられる。しかしながら、踵部302の底面における摩擦は、ロボットの安定姿勢を維持するために必要なものである。従って、図15(c)に示す場合、踵部302の底面に高い摩擦係数の物質を設ける必要が生じ、結果的には、摩擦力を低減するという効果は限定的なものにしかならないと考えられる。   As shown in FIG. 15C, it is conceivable to reduce the area of the bottom surface of the flange portion 302. However, the friction on the bottom surface of the collar 302 is necessary for maintaining a stable posture of the robot. Therefore, in the case shown in FIG. 15C, it is necessary to provide a material having a high coefficient of friction on the bottom surface of the flange 302, and as a result, the effect of reducing the frictional force is considered to be limited. It is done.

図15(d)に示すように、踵部302に対して回転車輪を設けることが考えられる。しかしながら、ロボットの安定姿勢を維持するためには、回転車輪をロックする機構が必要となり、かえって、構成の複雑化を招いてしまう。   As shown in FIG. 15 (d), it is conceivable to provide a rotating wheel for the collar 302. However, in order to maintain a stable posture of the robot, a mechanism for locking the rotating wheels is required, which in turn complicates the configuration.

上述の本実施形態では、踵部302において十分な摩擦力を確保することができるため、ロボットの姿勢が不安定化することはない。   In the present embodiment described above, a sufficient frictional force can be ensured in the collar portion 302, so that the posture of the robot does not become unstable.

図16に示すように、爪先部301が配置されている接地面の摩擦係数が、踵部302が配置されている接地面の摩擦係数よりも小さい場合も想定される。この場合、図16(a)に模式的に示すように、踵部302を上方へ回転させる際、踵部302に付与される摩擦力が、爪先部301に対して付与される摩擦力よりも大きくなることが想定される。この場合、全体としては、図16(b)に模式的に示すように、前方へ滑ってしまうことが想定される。   As shown in FIG. 16, it is assumed that the friction coefficient of the ground contact surface on which the toe portion 301 is disposed is smaller than the friction coefficient of the ground contact surface on which the flange 302 is disposed. In this case, as schematically shown in FIG. 16A, when the heel part 302 is rotated upward, the frictional force applied to the heel part 302 is larger than the frictional force applied to the toe part 301. It is expected to grow. In this case, as a whole, as shown schematically in FIG. 16B, it is assumed that the vehicle slips forward.

上述の本実施形態では、接地面から踵部を上方へ回転させるとき、踵部に対して大きな摩擦力が付与されることが抑制されている。従って、摩擦係数が異なる接地面上を歩行する場合であっても、歩行状態が不安定なものとなることを抑制することができる。   In the above-described embodiment, when the collar portion is rotated upward from the ground contact surface, it is suppressed that a large frictional force is applied to the collar portion. Therefore, even when walking on contact surfaces with different friction coefficients, the walking state can be suppressed from becoming unstable.

図17に模式的に示すように、接地面から踵部を持ち上げる際には、接地面に対する踵部の接地面積が急激に減少する。この時、ZMPの位置にずれが生じ、フィードバック制御をしても対応できないという問題がある。図17(a)に示すとき、爪先部301と踵部302に対して床反力分布が付与されている。図17(b)に示すとき、踵部302が接地面から浮き、矢印で模式的に示すように後方へ倒れるモーメントが生じる。すると、図17(c)に示すように、ZMPが後方へずれてしまう。ZMPの位置ズレが大きい場合にはロボットが転倒してしまう可能性もある。   As schematically shown in FIG. 17, when the collar is lifted from the ground plane, the ground contact area of the collar with respect to the ground plane is rapidly reduced. At this time, there is a problem in that the position of the ZMP is displaced and cannot be handled even if feedback control is performed. As shown in FIG. 17A, a floor reaction force distribution is given to the toe portion 301 and the heel portion 302. As shown in FIG. 17B, a moment is generated in which the collar 302 is lifted from the ground surface and falls backward as schematically indicated by an arrow. Then, as shown in FIG.17 (c), ZMP will shift | deviate backward. If the positional deviation of the ZMP is large, the robot may fall over.

ZMPズレに関する問題を解決するために、図18に示すように、踵部302の底面に対して層状の弾性部材304を貼り付けると良い。この場合、踵部302を接地面から浮かすとき、図18(a)に示した床反力の分布は、図18(b)に示した床分布へと推移する。このように、弾性部材304を設けることによって、床反力の推移がゆっくりとしたものとなり、姿勢制御フィードバック系の作動により、ZMPの位置ズレの影響を抑制することができる。しかしながら、図18に示す場合であっても、踵部302を接地面から浮かす時に生じる摩擦力は低減されない。従って、図14にて摩擦力に打ち勝つだけのトルクを生じさせる必要がある。   In order to solve the problem related to the ZMP displacement, it is preferable to attach a layered elastic member 304 to the bottom surface of the collar 302 as shown in FIG. In this case, when the eaves part 302 is lifted from the ground contact surface, the distribution of the floor reaction force shown in FIG. 18A changes to the floor distribution shown in FIG. Thus, by providing the elastic member 304, the transition of the floor reaction force becomes slow, and the influence of the positional deviation of the ZMP can be suppressed by the operation of the attitude control feedback system. However, even if it is a case shown in FIG. 18, the frictional force which arises when the collar part 302 floats from a ground-contact surface is not reduced. Therefore, it is necessary to generate a torque sufficient to overcome the frictional force in FIG.

実施形態の形態2では、踵部を浮かす時に踵部に付与される摩擦力は小さい。従って、実施の形態2では、踵部の底面に弾性部材を貼り合わせることができ、ZMP位置ズレに対する耐性も関節構造体に付与することが可能となる。   In Embodiment 2 of the embodiment, the frictional force applied to the buttocks when floating the buttocks is small. Therefore, in the second embodiment, an elastic member can be bonded to the bottom surface of the buttocks, and resistance to ZMP positional deviation can be imparted to the joint structure.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、爪先部上を移動する回転軸の移動態様は任意であり、直線状の移動に限らない。回転軸が爪先部により保持されている具体的態様は任意である。爪先部/踵部の具体的な形状は任意である。ボールねじ以外の駆動機構を採用しても良い。関節構造体に設けられる関節数は任意である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the movement mode of the rotating shaft that moves on the toe portion is arbitrary, and is not limited to linear movement. The specific mode in which the rotating shaft is held by the toe portion is arbitrary. The specific shape of the toe / buttock is arbitrary. A drive mechanism other than a ball screw may be employed. The number of joints provided in the joint structure is arbitrary.

100 関節構造体

20 爪先部
21 先端部
22 ガイド部
50 踵部

30 リンク機構

41 変速機
42 スライダ
43 ピニオン
44 スライダ

27 ラック

53 ベース板
55 軸保持部
55a 延在部
55b 円状部
56 軸保持部
56a 延在部
56b 円状部

61 電気モーター
62 プーリ―
63 プーリ―
64 ベルト
65 ナット部

80 天板
100 joint structure

20 toe part 21 tip part 22 guide part 50 collar part

30 Link mechanism

41 Transmission 42 Slider 43 Pinion 44 Slider

27 racks

53 Base plate 55 Shaft holding portion 55a Extending portion 55b Circular portion 56 Shaft holding portion 56a Extending portion 56b Circular portion

61 Electric motor 62 Pulley
63 pulley
64 Belt 65 Nut

80 Top plate

Claims (12)

接地面からこの順に離れる第1及び第2部材を備える関節構造体であって、
前記第1部材は、前記第2部材に対して係合した回転軸を備え、
当該回転軸は、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記接地面に沿って前記第2部材上を移動可能に構成されている、関節構造体。
A joint structure including first and second members separated in this order from the ground plane,
The first member includes a rotation shaft engaged with the second member,
The rotating shaft is configured to be movable on the second member along the grounding surface in accordance with the rotation of the first member with respect to the second member.
前記第1部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、
当該軸保持部は、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の関節構造体。
The first member includes a shaft holding portion that holds the rotation shaft,
The joint structure according to claim 1, wherein the shaft holding portion is configured to be capable of rotating on the ground surface in accordance with the rotation of the first member with respect to the second member.
前記第1部材は、前記回転軸を保持する軸保持部を備え、当該軸保持部は、前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記接地面上を回転進行可能に構成されている、請求項1又は2に記載の関節構造体であって、
前記回転軸と前記軸保持部間の回転比を調整する回転比調整機構を更に備える。
The first member includes a shaft holding portion that holds the rotation shaft, and the shaft holding portion is configured to be able to rotate on the ground surface in accordance with the rotation of the first member with respect to the second member. The joint structure according to claim 1 or 2, wherein
A rotation ratio adjusting mechanism for adjusting a rotation ratio between the rotation shaft and the shaft holding portion is further provided.
前記第1部材は、前記回転軸を保持する一組の軸保持部を備え、
一組の前記軸保持部の間には、前記回転軸の前記移動時に前記第1及び第2部材同士が干渉することを回避するための空間が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の関節構造体。
The first member includes a set of shaft holding portions that hold the rotating shaft,
The space for avoiding interference between the first and second members during the movement of the rotating shaft is provided between the pair of shaft holding portions. The joint structure as described in any one of thru | or 3.
前記第1及び2部材には、前記回転軸の前記移動を案内する案内機構が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の関節構造体。   5. The joint structure according to claim 1, wherein the first member and the second member are provided with a guide mechanism that guides the movement of the rotation shaft. 前記第1部材は、前記回転軸を自身の回転軸とするピニオンを備え、
前記第2部材は、前記ピニオンが歯合したラックを備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の関節構造体。
The first member includes a pinion having the rotation shaft as its rotation shaft,
The joint structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the second member includes a rack in which the pinion is engaged.
前記第1部材と前記第2部材間の回動を許容する態様にて、前記第1及び第2部材間を接続するリンク機構を更に備え、
前記第1部材には、前記リンク機構に含まれるリンクを当該第1部材からみて前進及び後退させる駆動機構が設けられていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の関節構造体。
In a mode that allows rotation between the first member and the second member, a link mechanism that connects the first and second members is further provided,
The drive mechanism for moving the link included in the link mechanism forward and backward as viewed from the first member is provided in the first member. Joint structure.
前記第2部材は、接地面に対して接地する先端部と、前記回転軸の移動路が設けられたガイド部と、を含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の関節構造体。   The said 2nd member contains the front-end | tip part which earth | grounds with respect to a grounding surface, and the guide part in which the movement path of the said rotating shaft was provided, The Claim 1 thru | or 7 characterized by the above-mentioned. Joint structure. 前記第1部材の底面には弾性部材が設けられていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の関節構造体。   The joint structure according to any one of claims 1 to 8, wherein an elastic member is provided on a bottom surface of the first member. 前記第1部材は、ヒトの足の踵に対応する踵部であり、
前記第2部材は、ヒトの足の爪先に対応する爪先部であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の関節構造体。
The first member is a buttock corresponding to a heel of a human foot,
The joint structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the second member is a toe portion corresponding to a toe of a human foot.
請求項1乃至10のいずれか一項に記載の関節構造体を具備するロボット。   A robot comprising the joint structure according to any one of claims 1 to 10. 接地面から順に離れる第1及び第2部材を備え、第1部材に設けられた回転軸は前記第2部材に対して係合している関節構造体の動作方法であって、
前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記回転軸は、前記接地面に沿って前記第2部材上を移動し、
前記第2部材に対する前記第1部材の回動に応じて、前記第1部材は、前記接地面上を転がる、関節構造体の動作方法。
The first and second members are sequentially separated from the ground surface, and the rotation shaft provided on the first member is an operation method of the joint structure engaged with the second member,
In response to the rotation of the first member relative to the second member, the rotation shaft moves on the second member along the grounding surface,
The operation method of the joint structure, wherein the first member rolls on the grounding surface in response to the rotation of the first member with respect to the second member.
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